面向频谱感知的传感器网络设计

摘要：针对认知无线电网络、频谱监测等领域对宽频段频谱感知的需求，基于无线传感器网络的特点，提出了一种面向频谱感知的传感器网络设计方案，包括分簇的网络结构、分频段的协作感知机制以及感知结果的协作处理机制，分析了实现这种方案的关键技术，为利用传感器网络进行宽频带协作频谱感知提供了一种可选的方案。
关键词：传感器网络；频谱感知；分簇

随着无线通信技术的发展和无线通信业务需求的增加，无线城域网、无线局域网、无线个域网、移动Ad Hoe网络等各类无线通信网络的数量快速增长，无线通信技术成为信息社会的基石。利用有限的频谱资源为用户提供高质量的无线服务，一直是无线通信领域的研究目标。目前，对频谱的有效感知成为实现有效的频谱管理、保证频谱合理利用的基础。
作为一种有限的资源，无线频谱的稀缺问题越来越严重，成为制约无线应用的重要瓶颈。根据2003年美国国家电信与信息管理局(Natio nal Telecommunications and Information Administration．NTLA)公布的频谱分配图，可分配的频段已经面临枯竭。1999年，Joseph Mit ola博士提出了认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)，CR可以使用户感知、识别并且灵活地接入空闲频段。基于CR的这种能力，可以实现对空闲频谱的动态利用，为提高频谱利用率、解决频谱稀缺问题提供了可能。在认知无线电网络(Cognitive Radio Networks，CRN)中，通过节点独立或者协作感知能够获得可用频谱情况，但是这种方式的时间开销较大，难以实现实时频谱感知，也会降低空闲频谱利用的效率。因此，建立频谱环境地图(Radio Environment Map，REM)等外部网络对认知无线电网络提供可用频谱信息、地理特征、用频经验等支持，是实现基于认知无线电网络进行动态频谱利用的重要途径。此外，随着电子信息技术在公共安全和军事领域的广泛应用，全面掌握各个频段的电磁环境状况对国家安全、地区维稳具有重要的意义。而目前的频谱监测手段主要基于单节点、有线传输的方式，监测范围有限，无法实现全时空、全频谱监测能力。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有通信、计算和网络功能的传感器节点，通过无线方式相互连接、共同完成特定任务的网络。网络以自组织的方式工作，具有可靠性、抗毁性高的优点，并且部署灵活、成本较低。因此，基于传感器网络进行频谱感知与监控是动态频谱管理、频谱监测等领域的研究热点。美国国防部很早就启动了利用无线传感器网络收集战场信息的研究，2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计划”，研究通过布设大量节点的传感器网络收集战场信息并进行过滤和融合。美国维吉尼亚工学院研究了基于传感器网络的无线电环境地图，以收集频谱信息、监管制度、无线设备功能以及区域用频经验等信息，对工作在该地区的动态频谱接入网络进行支持。DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)资助的自适应增强无线小组项目研究了基于REM支持的分布式认知无线电网络方案。而基于传感器网络的分布式检测算法也受到了研究人员的广泛关注和研究。这些项目和文献研究了基于传感器网络的协作感知和信息处理方法，但是均没有针对宽频段、实时感知进行设计。
针对这种问题，文中针对传感器网络的特点和宽频段感知的需求，提出一种用于频谱感知的传感器网络方案。

1 无线传感器网络的体系结构与特点
1．1 无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络系统通常由传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点组成，如图1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，通过自组织的方式进行协作。节点监测到的数据通过多跳转发传输，在传输过程中可能经过不同节点的处理，到达汇聚节点的数据通过互联网或者卫星到达管理节点。网络管理者通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，每个节点通过携带的电池供电，感知能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点同时具有传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了对区域的信息收集和数据处理之外，还要对其他节点传送的数据进行存储、管理和融合等处理。由于传感器节点能力的限制，单个节点难以完成任务，对单项任务的监测需要通过多个传感器节点协作完成。
汇聚节点(sink node)也叫网关节点，通常为一个功能增强的传感器节点，拥有的内存和计算资源较多，它的能量供应也比较充足，因此其处理能力、通信能力和存储能力都较强，它主要负责连接传感器网络和外部网络，对两种不同的网络协议栈之间的协议进行相互转换，将网络所获知的数据转发给外部网络。汇聚节点获得的数据通过互联网或者卫星等其他传输手段传送到任务管理中心供用户观察分析。
另一方面，监测任务的下发、网络的管理通过上述过程的逆过程实现。
1．2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络主要基于无线自组网(Ad Hoc Networks)技术，同时具有自己的特点。无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳对等网络，通过动态路由技术提供满足服务质量要求的多媒体信息流。无线自组网中的节点一般假定具有持续的能量供给。无线传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目一般更为庞大，节点分布更为密集，节点通常固定不动，但由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障。网络环境的变化和节点的低可靠性容易造成网络拓扑的变化。由于传感器节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力的限制，无线传感器网络设计的首要目标是提高能源的利用效率，以提高网络的工作时间，亦是无线传感器网络与包括无线自组网在内的传统网络的重要区别之一。
无线传感器网络的特点可以总结如下：
1)大规模自组织网络
在监测区域，为了获取精确信息，通常部署大量传感器节点，在很大的地理区域内，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多，部署很密集，因此传感器网络不会因一个或几个节点出现问题而导致网络不可用的或通信中断的现象。
在网络应用中，传感器节点通常情况下被放置在没有基础结构的地方，传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统，能够适应传感器网络中的节点个数动态地增加或减少的动态变化。
2)动态性可靠网络
当环境条件变化或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效等因素影响时，传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都有移动性，传感器网络系统可以动态重构，以保证其正常的工作效能。而且传感器节点非常坚固，不易损坏，传感器网络也有极高的通信保密性和安全性，其软硬件具有鲁捧性、容错性和安全性。
3)资源有限性
由于受价格、体积和功耗的限制，传感器网络中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器的能力和存储器的容量有限，因此传感器的处理能力也相当受限。
4)能量有限性
由于受到硬件条件的影响，无线传感器节点通常采用电池供电，电池一般采用微型电池，电源能量更加受限。而多数传感器网又往往要求长时间工作，并且受到能量的影响。因此，无线传感网络节点的通信距离很短，一般只有几十米，甚至更短。
5)以数据为中心的网络
无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。在无线传感器网络中，多跳路由是基于数据为中心的路由，传感器网络节点没有一个全局性的标识，如IP地址。每个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识。传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络是通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性，而且数据传输具有很强的方向性。通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。

2 面向频谱感知的传感器网络系统架构
基于无线传感器网络的特点和宽频段感知的需求，本节提出一种面向频谱感知的传感器网络系统架构，包括分簇的网络结构、分频段的协作感知机制和协作的检测处理机制。
2．1 分簇网络结构
由于需要监测的频段很宽，需要部署的节点很多，网络采用分簇结构，如图2所示。节点通过自组织的方式分成不同的簇；每个簇内节点通过协同检测提高精确度，簇首节点通过多跳转发将检测结果传送到汇聚节点。这种方式可以减少网络中节点的信息传送数量，从而降低节点的能量开销，提高网络的工作时间。同时，减小了路由的跳数，从而避免长的通信路径导致的数据包丢失概率增大，网络性能下降等缺点。